CN104028292A - N-TiO2/C和N-TiO2及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种N-TiO2/C和N-TiO2及其制备方法，具体公开了一种空气中热处理制备氮掺杂氧化钛及其与碳的纳米复合物的方法。其制备方法包括以下步骤：（1）将10wt%四甲基氢氧化胺水溶液与乙二醇混合，加入异丙醇钛，搅拌均匀，所得溶液于200℃水热8h；（2）将步骤（1）获得的水热产物在乙醇和去离子水中离心、清洗，并在70℃空气中烘干；（3）将步骤（2）中的干燥产物在250~550℃，空气中热处理2h，即得到氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物或者氮掺杂氧化钛。本发明获得的氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物和氮掺杂氧化钛具有含氮量高，吸收谱拓展到可将光区域，具有可见光光催化活性等优点。采用的制备方法具有简便易行，安全系数高，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化钛纳米材料的制备方法，尤其是一种氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物（N-TiO2/C）或氮掺杂氧化钛（N-TiO2）的制备方法，属于化学材料的制备领域，在光催化降解污染物方面有着非常重要的用途。
背景技术
由于具有成本低，无毒，化学合成方便，热稳定性好等特性，氧化钛是一种非常常见的光催化剂。氧化钛有三种晶型，金红石，锐钛矿和板钛矿。其中，锐钛矿是最常用的光催化剂。光催化降解有机物的原理是，光照条件下，入射光子中能量高于禁带宽度的光子被价带电子吸收，然后电子跃迁到导带。光生电子从氧化钛的导带转移到染料，染料发生氧化反应，进而被氧化。锐钛矿的禁带宽度为3.2eV，只有波长小于380nm的紫外光能被氧化钛吸收利用，而紫外光的能量仅占太阳自然光谱的7%，因此，普通合成方法获得的锐钛矿对光的利用效率非常低，有必要提高锐钛矿对可见光波段的响应。
为提高锐钛矿氧化钛对整个自然光波段的响应，可以从以下两个方面进行改进，一是形貌调控，二是化学调控。形貌调控主要是通过增加氧化钛的比表面积，增加孔隙率来增加氧化钛对染料的吸附或者暴露特定晶面，如[100]或者[101]等活跃面来促进氧化钛对有机染料（例如：亚甲基蓝，亚甲基橙，品红等）的光解。形貌调控不涉及改变氧化钛的禁带宽度，因此对光吸收的增强影响不大。而另一类方法，化学调控，则主要是通过掺杂来改变氧化钛的禁带宽度从而达到对可见光的吸收。掺杂是常用的方法，包括掺杂金属和非金属。从应用的角度讲，金属成本比较高，所以对非金属元素C，H，S，N的掺杂研究比较多。但是，在对氧化钛进行C，H，N掺杂时，最常用的方法是在特殊气氛下进行热处理。比如，氮掺杂氧化钛一般是对氧化钛进行氮气气氛下高温热处理，而氢掺杂氧化钛是在氢气保护下热处理氧化钛。在特殊气氛下进行的热处理除了对实验生产条件要求高以外，还存在安全问题，整个过程生产成本也大大增加。因此，在相对低温，以及不需特殊气氛，比如空气条件下进行掺杂成为一个研究热点。
同时，研究发现，单纯氮掺杂氧化钛，虽然使氧化钛禁带宽度变窄，拓宽了其光谱响应范围，但是掺杂引入的空穴无意中为载流子提供了复合中心，导致光生载流子利用效率降低。为解决这一问题，可以对氮掺杂的氧化钛进行改性。比如，将氮掺杂氧化钛与碳进行复合。碳材料由于其强大的电子存储能力和金属导带的特性可以接受光生电子。研究发现，碳纳米材料包覆氧化钛后，由于碳和氧化钛之间的费米能级差，导致电子向碳纳米材料方向发生富集，因此促进了光生空穴-电子的分离，氧化钛的光催化效率得到了改善。但是，目前对于氮掺杂氧化钛与碳的复合研究相对较少，而且已有的制备方法反应条件并不温和，且对实验条件要求比较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种N-TiO2 /C和N-TiO2及其制备方法。利用不完全水热反应制备前驱物，后续热处理过程控制TiO2的掺杂改性，不同温度获得不同化学组成的TiO2产物，即N-TiO2 /C或者N-TiO2。
氮掺杂氧化钛或其与碳的纳米复合物的制备方法包括如下步骤：
1）将四甲基氢氧化铵溶液加入到乙二醇中，四甲基氢氧化铵溶液与乙二醇的体积比为1:3，二者搅拌均匀后加入异丙醇钛，异丙醇钛溶液加入的体积为四甲基氢氧化胺溶液的1/10，室温下继续搅拌至获得均匀溶液；
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到聚四氟乙烯水热釜内衬中，用不锈钢外套密封，然后在200℃下水热反应8h，自然冷却至室温；
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗步骤2）所获得的产物，并在空气环境中烘干；
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理，热处理温度为250~550℃，热处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，得到氮掺杂氧化钛或氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物。
所述的四甲基氢氧化铵溶液为10wt%四甲基氢氧化铵水溶液。
所述的热处理温度为250~400℃时，获得氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物；热处理温度为400~550℃时，获得氮掺杂氧化钛。
所述制备方法制备的氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物氮含量为2.23~3.32%,碳含量为19~23%,比表面积为55~80m2/g,所述氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物中氧化钛为锐钛矿晶型。
所述制备方法制备的氮掺杂氧化钛氮含量为1.94~2.56%，比表面积为45~58m2/g，所述氮掺杂氧化钛中氧化钛为锐钛矿晶型。
本发明获得的氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物和氮掺杂氧化钛具有含氮量高，吸收谱拓展到可将光区域，具有可见光光催化活性等优点。采用的制备方法是在空气气氛下进行热处理，避免了在特殊气氛（如氢气、氮气、惰性气）下热处理所带来的不便，整个制备过程简便易行，安全系数高，成本低。而且通过控制热处理温度，可以很方便的获得N-TiO2 /C或者N-TiO2并实现对其氮含量、碳含量的控制。
附图说明
图 1 本发明方法实例1制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的XRD图谱；
图 2 本发明方法实例1 制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的高分辨照片；
图 3 本发明方法实例1 制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的XPS总谱以及N1s分谱；
图 4 本发明方法实例1 制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的紫外-可见吸收谱；
图 5 本发明方法实例3制备的氮掺杂氧化钛的XRD图谱；
图 6 本发明方法实例3 制备的氮掺杂氧化钛的XPS总谱以及N1s分谱；
图 7 本发明方法实例3 制备的氮掺杂氧化钛的拉曼图谱；
图 8 本发明方法实例3 制备的氮掺杂氧化钛的紫外-可见吸收谱。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
实施例1
一种如图1至图4所示的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物，是采用以下方法制备而得：
1）将10mL四甲基氢氧化铵溶液加入到30mL乙二醇中搅拌10min，然后加入1mL异丙醇钛，室温下搅拌0.5h，获得均匀溶液。
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到容积为80mL的聚四氟乙烯
水热釜内衬中，以不锈钢外套密封后，在200℃下水热反应8h，自
然冷却至室温。
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗1次步骤2）所获得的
反应产物，并在70℃空气环境中烘干10h。
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理。热处理温度为250℃，热
处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，获得氮掺杂氧化钛/碳的纳
米复合物。
图1是实例1制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的XRD图谱，由图中可以看出，获得的产物为锐钛矿晶型，虽然结晶性差，但是在2θ=25.3, 37.9, 48.15, 54.05, 55.28°等处的衍射峰与锐钛矿JCPDS卡片No.84-1285能一一对应。
图2是实例1制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的高分辨电镜照片，图中能观察到无序化的碳以及晶粒尺寸在3~8nm之间的晶粒。晶格衍射条纹分析可得，白色圆圈内的晶粒为锐钛矿晶粒。
图3是实例1制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的XPS图谱，其中内嵌的N1s谱图中强烈的电子结合峰表明获得的产物中存在氮，且氮含量较高。而且分析得知，氮的掺杂形式既有间隙氮，又有取代氮。
图4是实例1制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物的紫外-可见吸收谱，由图中可以得知，所制备的氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物在整个紫外-可见区域均有明显吸收，对应于产物的黑色外观。可以预见产物的可见光光催化活性。
实施例2
一种氮掺杂氧化钛/碳纳米复合物，是采用以下方法制备而得：
1）将10mL四甲基氢氧化铵溶液加入到30mL乙二醇中搅拌10min，然后加入1mL异丙醇钛，室温下搅拌0.5h，获得均匀溶液。
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到容积为80mL的聚四氟乙烯
水热釜内衬中，以不锈钢外套密封后，在200℃下水热反应8h，自
然冷却至室温。
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗1次步骤2）所获得的
反应产物，并在70℃空气环境中烘干10h。
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理。热处理温度为350℃，热
处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，获得氮掺杂氧化钛/碳的纳
米复合物。
实施例3
一种如图5至图8所示的氮掺杂氧化钛，是采用以下方法制备而得：
1）将10mL四甲基氢氧化铵溶液加入到30mL乙二醇中搅拌10min，然后加入1mL异丙醇钛，室温下搅拌0.5h，获得均匀溶液。
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到容积为80mL的聚四氟乙烯
水热釜内衬中，以不锈钢外套密封后，在200℃下水热反应8h，自
然冷却至室温。
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗1次步骤2）所获得的
反应产物，并在70℃空气环境中烘干10h。
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理。热处理温度为450℃，热
处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，获得氮掺杂氧化钛。
图5是实例3制备的氮掺杂氧化钛的XRD图谱，由图中可以看出，获得的产物为锐钛矿相氧化钛，且结晶性良好，在2θ=25.3, 37.9, 48.15, 54.05, 55.28°等处的衍射峰与锐钛矿JCPDS卡片No.84-1285能一一对应。
图6是实例3制备的氮掺杂氧化钛的XPS图谱，其中内嵌的N1s谱图中能观察到电子结合峰，表明获得的产物中存在氮，且氮含量较高。而且分析得知，氮的掺杂形式既有间隙氮，又有取代氮。
图7是实例3制备的氮掺杂氧化钛的拉曼图谱，100~700 cm-1间产生的峰对应于产物的锐钛矿结构，其中波数为580cm-1处的峰表征了氮的存在。同时，1000~2000 cm-1间无拉曼峰则表明产物中不含碳，为氮掺杂氧化钛。
图8是实例3制备的氮掺杂氧化钛的紫外-可见吸收谱，由图中可以得知，所制备的氮掺杂氧化钛其吸收范围相比于纯氧化钛，由紫外区域拓展到可见区域，与产物的黄色外观相呼应。而且，吸收谱带有典型的氮掺杂产物所产生的 “吸收尾巴”（450~550nm）。可以预见产物的可见光光催化活性。
实施例4
一种本发明的氮掺杂氧化钛，是采用以下方法制备而得：
1）将10mL四甲基氢氧化铵溶液加入到30mL乙二醇中搅拌10min，然后加入1mL异丙醇钛，室温下搅拌0.5h，获得均匀溶液。
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到容积为80mL的聚四氟乙烯
水热釜内衬中，以不锈钢外套密封后，在200℃下水热反应8h，自
然冷却至室温。
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗1次步骤2）所获得的
反应产物，并在70℃空气环境中烘干10h。
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理。热处理温度为550℃，热
处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，获得氮掺杂氧化钛。
Claims (5)
1.一种氮掺杂氧化钛或其与碳的纳米复合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将四甲基氢氧化铵溶液加入到乙二醇中，四甲基氢氧化铵溶液与乙二醇的体积比为1:3，二者搅拌均匀后加入异丙醇钛，异丙醇钛溶液加入的体积为四甲基氢氧化胺溶液的1/10，室温下继续搅拌至获得均匀溶液；
2）将步骤1）中获得的均匀溶液移入到聚四氟乙烯水热釜内衬中，用不锈钢外套密封，然后在200℃下水热反应8h，自然冷却至室温；
3）利用丙酮、酒精和去离子水分别离心清洗步骤2）所获得的产物，并在空气环境中烘干；
4）对步骤3）获得的干燥产物进行热处理，热处理温度为250~550℃，热处理时间为2h，热处理氛围为空气气氛，得到氮掺杂氧化钛或氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的四甲基氢氧化铵溶液为10wt%四甲基氢氧化铵水溶液。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的热处理温度为250~400℃时，获得氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物；热处理温度为400~550℃时，获得氮掺杂氧化钛。
4.一种如权利要求1所述制备方法制备的氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物，其特征在于：所述氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物氮含量为2.23~3.32%,碳含量为19~23%,比表面积为55~80m2/g,所述氮掺杂氧化钛/碳的纳米复合物中氧化钛为锐钛矿晶型。
5.一种如权利要求1所述制备方法制备的氮掺杂氧化钛，其特征在于：所述氮掺杂氧化钛氮含量为1.94~2.56%，比表面积为45~58m2/g，所述氮掺杂氧化钛中氧化钛为锐钛矿晶型。
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